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2012-05-20 15:28:40

Linux USB驱动框架分析(一)

    事实上,Linux的设备驱动都遵循一个惯例——表征驱动程序的结构体,结构体里面应该包含了驱动程序所需要的所有资源。用术语来说,就是这个驱动器对象所拥有的属性及成员。这个结构体的名字由驱动开发人员决定,比如说,鼠标可能有一个叫做mouse_dev的struct,键盘可能由一个keyboard_dev的struct。而这次我们来分析一下Linux内核源码中的一个usb-skeleton,自然它定义的设备结构体就叫做usb-skel:
struct usb_skel {
     struct usb_device *       udev;                /* the usb device for this device */
     struct usb_interface * interface;           /* the interface for this device */
     struct semaphore       limit_sem;          /* limiting the number of writes in progress */
     unsigned char *          bulk_in_buffer;    /* the buffer to receive data */
     size_t        bulk_in_size;                   /* the size of the receive buffer */
     __u8          bulk_in_endpointAddr;        /* the address of the bulk in endpoint */
     __u8         bulk_out_endpointAddr;       /* the address of the bulk out endpoint */
     struct kref   kref;
};
    USB能够自动监测设备,并调用相应的驱动程序处理设备,所以其规范实际上是相当复杂的,幸好,我们不必理会大部分细节问题,因为Linux已经提供相应的解决方案。USB的驱动分为两块,一块是USB的bus驱动,这个东西Linux内核已经做好了,可以不管,但我们至少要了解它的功能。形象的说,USB的bus驱动相当于铺出一条路来,让所有的信息都可以通过这条USB通道到达该到的地方,这部分工作由usb_core来完成。当USB设备接到USB控制器接口时,usb_core就检测该设备的一些信息,例如生产厂商ID和产品的ID,或者是设备所属的class、subclass跟protocol,以便确定应该调用哪一个驱动处理该设备。另一块工作是usb的设备驱动。也就是说,我们就等着usb_core告诉我们要工作了,我们才工作。
    从开发人员的角度看,每一个usb设备有若干个配置(configuration)组成,每个配置又可以有多个接口(interface),每个接口又有多个设置,而接口本身可能没有端点或者多个端点(end point)。USB的数据交换通过端点来进行,主机与各个端点之间建立起单向的管道来传输数据。而这些接口可以分为四类:

控制(control)
    用于配置设备、获取设备信息、发送命令或者获取设备的状态报告。
中断(interrupt)
    当USB宿主要求设备传输数据时,中断端点会以一个固定的速率传送少量数据,还用于发送数据到USB设备以控制设备,一般不用于传送大量数据。
批量(bulk)
    用于大量数据的可靠传输,如果总线上的空间不足以发送整个批量包,它会被分割成多个包传输。
等时(isochronous)
    大量数据的不可靠传输,不保证数据的到达,但保证恒定的数据流,多用于数据采集。

    Linux中用struct usb_host_endpoint来描述USB端点,每个usb_host_endpoint中包含一个struct usb_endpoint_descriptor结构体,当中包含该端点的信息以及设备自定义的各种信息,这些信息包括:
bEndpointAddress(b for byte)
    8位端点地址,其地址还隐藏了端点方向的信息(之前说过,端点是单向的),可以用掩码USB_DIR_OUT和USB_DIR_IN来确定。
bmAttributes
    端点的类型,结合USB_ENDPOINT_XFERTYPE_MASK可以确定端点是USB_ENDPOINT_XFER_ISOC(等时)、USB_ENDPOINT_XFER_BULK(批量)还是USB_ENDPOINT_XFER_INT(中断)。
wMaxPacketSize
    端点一次处理的最大字节数。发送的BULK包可以大于这个数值,但会被分割传送。
bInterval
    如果端点是中断类型,该值是端点的间隔设置,以毫秒为单位。
    在逻辑上,一个USB设备的功能划分是通过接口来完成的。比如说一个USB扬声器,可能会包括有两个接口:一个用于键盘控制,另外一个用于音频流传输。而事实上,这种设备需要用到不同的两个驱动程序来操作,一个控制键盘,一个控制音频流。但也有例外,比如蓝牙设备,要求有两个接口,第一用于ACL跟EVENT的传输,另外一个用于SCO链路,但两者通过一个驱动控制。

    在Linux上,接口使用struct usb_interface来描述,以下是该结构体中比较重要的字段:
struct usb_host_interface *altsetting(注意不是usb_interface)
    其实据我理解,他应该是每个接口的设置,虽然名字上有点奇怪。该字段是一个设置的数组(一个接口可以有多个设置),每个usb_host_interface都包含一套由struct usb_host_endpoint定义的端点配置。但这些配置次序是不定的。
unsigned num_altstting
    可选设置的数量,即altsetting所指数组的元素个数。
struct usb_host_interface *cur_altsetting
    当前活动的设置,指向altsetting数组中的一个。
int minor
    当捆绑到该接口的USB驱动程序使用USB主设备号时,USB core分配的次设备号。仅在成功调用usb_register_dev之后才有效。    
 
      
Linux USB驱动框架分析(二)

    事实上,Linux的设备驱动,特别是这种hotplug的USB设备驱动,会被编译成模块,然后在需要时挂在到内核。要写一个Linux的模块并不复杂,以一个helloworld为例:
#include
#include
MODULE_LICENSE(“GPL”);
static int hello_init(void)
{
     printk(KERN_ALERT “Hello World!\n”);
     return 0;
}
static int hello_exit(void)
{
     printk(KERN_ALERT “GOODBYE!\n”);
}
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);
    这个简单的程序告诉大家应该怎么写一个模块,MODULE_LICENSE告诉内核该模块的版权信息,很多情况下,用GPL或者BSD,或者两个,因为一个私有模块一般很难得到社区的帮助。module_init和module_exit用于向内核注册模块的初始化函数和模块推出函数。如程序所示,初始化函数是hello_init,而退出函数是hello_exit。
    另外,要编译一个模块通常还需要用到内核源码树中的makefile,所以模块的Makefile可以写成:
ifneq ($(KERNELRELEASE),)
obj-m:= hello.o#usb-dongle.o
else
KDIR:= /usr/src/linux-headers-$(shell uname -r)
BDIR:= $(shell pwd)
default:
     $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules
.PHONY: clean
clean:
     make -C $(KDIR) M=$(BDIR) clean
endif
    可以用insmod跟rmmod来验证模块的挂在跟卸载,但必须用root的身份登陆命令行,用普通用户加su或者sudo在Ubuntu上的测试是不行的。


Linux USB驱动框架分析(三)

    下面分析一下usb-skeleton的源码。这个范例程序可以在linux-2.6.17/drivers/usb下找到,其他版本的内核程序源码可能有所不同,但相差不大。大家可以先找到源码看一看,先有个整体印象。
    之前已经提到,模块先要向内核注册初始化跟销毁函数:
static int __init usb_skel_init(void)
{
     int result;
     /* register this driver with the USB subsystem */
     result = usb_register(&skel_driver);
     if (result)
         err("usb_register failed. Error number %d", result);
     return result;
}
static void __exit usb_skel_exit(void)
{
     /* deregister this driver with the USB subsystem */
     usb_deregister(&skel_driver);
}
module_init (usb_skel_init);
module_exit (usb_skel_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
    从代码开来,这个init跟exit函数的作用只是用来注册驱动程序,这个描述驱动程序的结构体是系统定义的标准结构struct usb_driver,注册和注销的方法很简单,usb_register(struct *usb_driver), usb_deregister(struct *usb_driver)。该结构体要向系统提供几个函数入口,跟驱动的名字:
static struct usb_driver skel_driver = {
     .name =      "skeleton",
     .probe =      skel_probe,
     .disconnect = skel_disconnect,
     .id_table =   skel_table,
};
    从代码看来,usb_driver需要初始化四个东西:模块的名字skeleton,probe函数skel_probe,disconnect函数skel_disconnect,以及id_table。
    在解释skel_driver各个成员之前,我们先来看看另外一个结构体。这个结构体的名字由开发人员自定义,它描述的是该驱动拥有的所有资源及状态:
struct usb_skel {
     struct usb_device *      udev;                 /* the usb device for this device */
     struct usb_interface *   interface;           /* the interface for this device */
     struct semaphore       limit_sem;        /* limiting the number of writes in progress */
     unsigned char *         bulk_in_buffer;    /* the buffer to receive data */
     size_t         bulk_in_size;                   /* the size of the receive buffer */
     __u8          bulk_in_endpointAddr;        /* the address of the bulk in endpoint */
     __u8         bulk_out_endpointAddr;      /* the address of the bulk out endpoint */
     struct kref   kref;
};
    它拥有一个描述usb设备的结构体udev,一个接口interface,用于并发访问控制的semaphore(信号量) limit_sem,用于接收数据的缓冲bulk_in_buffer及其尺寸bulk_in_size,然后是批量输入输出端口地址bulk_in_endpointAddr、bulk_out_endpointAddr,最后是一个内核使用的引用计数器。
    再回过头来看看skel_driver:
    name用来告诉内核模块的名字是什么,这个注册之后由系统来使用,跟我们关系不大;
    id_table用来告诉内核该模块支持的设备;usb子系统通过设备的production ID和vendor ID的组合或者设备的class、subclass跟protocol的组合来识别设备,并调用相关的驱动程序作处理。可以看看这个id_table到底是什么东西:
/* Define these values to match your devices */
#define USB_SKEL_VENDOR_ID 0xfff0
#define USB_SKEL_PRODUCT_ID 0xfff0
/* table of devices that work with this driver */
static struct usb_device_id skel_table [] = {
     { USB_DEVICE(USB_SKEL_VENDOR_ID, USB_SKEL_PRODUCT_ID) },
     { }                    /* Terminating entry */
};
MODULE_DEVICE_TABLE (usb, skel_table);
    MODULE_DEVICE_TABLE的第一个参数是设备的类型,如果是USB设备,那自然是usb(如果是PCI设备,那将是pci,这两个子系统用同一个宏来注册所支持的设备)。后面一个参数是设备表,这个设备表的最后一个元素是空的,用于标识结束。代码定义了USB_SKEL_VENDOR_ID是0xfff0,USB_SKEL_PRODUCT_ID是0xfff0,也就是说,当有一个设备接到集线器时,usb子系统就会检查这个设备的vendor ID和product ID,如果它们的值是0xfff0时,那么子系统就会调用这个skeleton模块作为设备的驱动。


Linux USB驱动框架分析(四)

    probe是usb子系统自动调用的一个函数,有USB设备接到硬件集线器时,usb子系统会根据production ID和vendor ID的组合或者设备的class、subclass跟protocol的组合来识别设备调用相应驱动程序的probe(探测)函数,对于skeleton来说,就是skel_probe。系统会传递给探测函数一个usb_interface *跟一个struct usb_device_id *作为参数,分别是该USB设备的接口描述(一般会是该设备的第0号接口,该接口的默认设置也是第0号设置)跟它的设备ID描述(包括Vendor ID、Production ID等)。probe函数比较长,我们分段来分析这个函数:
dev->udev = usb_get_dev(interface_to_usbdev(interface));
dev->interface = interface;
    在初始化了一些资源之后,可以看到第一个关键的函数调用——interface_to_usbdev。本来,要得到一个usb_device只要用interface_to_usbdev就够了,但因为要增加对该usb_device的引用计数,我们应该在做一个usb_get_dev的操作,来增加引用计数,并在释放设备时用usb_put_dev来减少引用计数。该引用计数值是对该usb_device的计数,并不是对本模块的计数,本模块的计数要由kref来维护。所以,probe一开始就有初始化kref。事实上,kref_init操作不单只初始化kref,还将其置设成1。所以在出错处理代码中有kref_put,它把kref的计数减1,如果kref计数已经为0,那么kref会被释放。kref_put的第二个参数是一个函数指针,指向一个清理函数。注意,该指针不能为空,或者kfree。该函数会在最后一个对kref的引用释放时被调用。下面是内核源码中的一段注释及代码:
/**
* kref_put - decrement refcount for object.
* @kref: object.
* @release: pointer to the function that will clean up the object when the
*        last reference to the object is released.
*        This pointer is required, and it is not acceptable to pass kfree
*        in as this function.
*
* Decrement the refcount, and if 0, call release().
* Return 1 if the object was removed, otherwise return 0. Beware, if this
* function returns 0, you still can not count on the kref from remaining in
* memory. Only use the return value if you want to see if the kref is now
* gone, not present.
*/
int kref_put(struct kref *kref, void (*release)(struct kref *kref))
{
     WARN_ON(release == NULL);
     WARN_ON(release == (void (*)(struct kref *))kfree);
     /*
     * if current count is one, we are the last user and can release object
     * right now, avoiding an atomic operation on 'refcount'
     */
     if ((atomic_read(&kref->refcount) == 1) ||
         (atomic_dec_and_test(&kref->refcount))) {
         release(kref);
         return 1;
     }
     return 0;
}
     当我们执行打开操作时,要增加kref的计数,可以用kref_get来完成。所有对struct kref的操作都有内核代码确保其原子性。
     得到了该usb_device之后,我们要对我们自定义的usb_skel各个状态跟资源作初始化。这部分工作的任务主要是向usb_skel注册该usb设备的端点。在一个usb_host_interface结构里面有一个usb_interface_descriptor叫做desc的成员,用于描述该interface的一些属性,其中bNumEndpoints是一个8位(b for byte)的数字,代表了该接口的端点数。probe然后遍历所有的端点,检查他们的类型跟方向,注册到usb_skel中。
     /* set up the endpoint information */
     /* use only the first bulk-in and bulk-out endpoints */
     iface_desc = interface->cur_altsetting;
     for (i = 0; i < iface_desc->desc.bNumEndpoints; ++i) {
         endpoint = &iface_desc->endpoint[i].desc;
         if ( !dev->bulk_in_endpointAddr &&
               ((endpoint->bEndpointAddress & USB_ENDPOINT_DIR_MASK) = = USB_DIR_IN) &&
             ((endpoint->bmAttributes & USB_ENDPOINT_XFERTYPE_MASK) = = USB_ENDPOINT_XFER_BULK)) {
              /* we found a bulk in endpoint */
              buffer_size = le16_to_cpu(endpoint->wMaxPacketSize);
              dev->bulk_in_size = buffer_size;
              dev->bulk_in_endpointAddr = endpoint->bEndpointAddress;
              dev->bulk_in_buffer = kmalloc(buffer_size, GFP_KERNEL);
              if (!dev->bulk_in_buffer) {
                   err("Could not allocate bulk_in_buffer");
                   goto error;
              }
         }
         if (!dev->bulk_out_endpointAddr &&
            ((endpoint->bEndpointAddress & USB_ENDPOINT_DIR_MASK)= =USB_DIR_OUT) &&
               ((endpoint->bmAttributes & USB_ENDPOINT_XFERTYPE_MASK)= = USB_ENDPOINT_XFER_BULK)) {
              /* we found a bulk out endpoint */
              dev->bulk_out_endpointAddr = endpoint->bEndpointAddress;
         }
     }
     if (!(dev->bulk_in_endpointAddr && dev->bulk_out_endpointAddr)) {
         err("Could not find both bulk-in and bulk-out endpoints");
         goto error;
     }


Linux USB驱动框架分析(五)

    接下来的工作是向系统注册一些以后会用的信息。首先我们来说明一下usb_set_intfdata(),它向内核注册一个data,这个data的结构可以是任意的,这段程序向内核注册了一个usb_skel结构,就是我们刚刚看到的被初始化的那个,这个data可以在以后用usb_get_intfdata来得到。
usb_set_intfdata(interface, dev);
retval = usb_register_dev(interface, &skel_class);
     然后我们向这个interface注册一个skel_class结构。这个结构又是什么?我们就来看看这到底是个什么东西:
static struct usb_class_driver skel_class = {
     .name =       "skel%d",
     .fops =       &skel_fops,
     .minor_base = USB_SKEL_MINOR_BASE,
};
     它其实是一个系统定义的结构,里面包含了一名字、一个文件操作结构体还有一个次设备号的基准值。事实上它才是定义 真正完成对设备IO操作的函数。所以他的核心内容应该是skel_fops。usb设备可以有多个interface,每个interface所定义的IO操作可能不一样,所以向系统注册的usb_class_driver要求注册到某一个interface,而不是device,因此,usb_register_dev的第一个参数才是interface,而第二个参数就是某一个usb_class_driver。通常情况下,linux系统用主设备号来识别某类设备的驱动程序,用次设备号管理识别具体的设备,驱动程序可以依照次设备号来区分不同的设备,所以,这里的次设备好其实是用来管理不同的interface的。
static struct file_operations skel_fops = {
     .owner = THIS_MODULE,
     .read =       skel_read,
     .write =      skel_write,
     .open =       skel_open,
     .release =    skel_release,
};
    这个文件操作结构中定义了对设备的读写、打开、释放(USB设备通常使用这个术语release)。他们都是函数指针,分别指向skel_read、skel_write、skel_open、skel_release这四个函数,这四个函数应该由开发人员自己实现。
    当设备被拔出集线器时,usb子系统会自动地调用disconnect,它做的事情不多,最重要的是注销class_driver(交还次设备号)和interface的data:
dev = usb_get_intfdata(interface);
usb_set_intfdata(interface, NULL);
/* give back our minor */
usb_deregister_dev(interface, &skel_class);
    然后会用kref_put(&dev->kref, skel_delete)进行清理。
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